Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6622
Main Title: Novel high-power and high-brightness semiconductor lasers with ultra-narrow vertical beam divergence
Translated Title: Neuartige Halbleiterlaser mit hoher Ausgangsleistung, hoher Brillanz und einer sehr schmalen vertikalen Strahldivergenz
Author(s): Miah, Md. Jarez
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Referee(s): Bimberg, Dieter
Strittmatter, André
Dadgar, Armin
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This doctoral thesis focuses on the realization of high-power and high-brightness 1060 nm edge-emitting lasers grown on a GaAs substrate. Two different types of lasers have been successfully implemented, namely PBC (PBC: photonic band crystal) and HiBBEE (HiBBEE: high-brightness vertical broad-area edge-emitting) lasers. To reduce the typical large vertical beam divergence of ~ 30-60° of conventional edge-emitting lasers, both PBC and HiBBEE structures utilize an extended and asymmetric vertical waveguide consisting of multiple layers with alternating refractive index. A periodic layer sequence is employed in the broad vertical PBC waveguide, while the HiBBEE waveguide is composed of an aperiodic layer sequence. The reduction of the vertical beam divergence is accomplished by extension of the optical field in the broad vertical waveguide. The resulting large spot size of the near-field reduces the optical power density at the laser facets and thus allows also a high output power before catastrophic optical mirror damage occurs. Mode discriminating features of the structures additionally ensure fundamental mode emission in the vertical direction. Broad-area (BA) PBC lasers having 100 µm wide ridge and 3.0 mm long cavity with unpassivated and uncoated facets deliver 9.5 W output power in continuous-wave (CW) mode at a heat sink temperature T = 20°C. They provide a fundamental mode emission in vertical direction with a narrow and operating-current-insensitive vertical beam divergence of only 8° full width at half maximum (FWHM). 9 µm wide and 2.64 mm long ridge waveguide (RW) PBC lasers provide 1.9 W single-transverse mode output power in CW mode at T = 20°C. FWHM beam divergence angles are 9° in lateral and 14° in vertical direction at 1.9 W output power. The RW lasers also show an excellent beam quality with M2 factor < 1.9 up to 1.9 W in both transverse directions and yield a maximum brightness as high as 72 MWcm-2sr-1. Thermal stability of the PBC lasers is evaluated by characterizing 6 µm wide and 2.64 mm long RW lasers up to an elevated temperature of 80°C in CW mode. The lasers provide 1.8 W single-transverse mode power at T = 20°C with 11° and 15° FWHM beam divergence angles in lateral and vertical directions, respectively. Output power decreases with increasing T. However, still more than 1.3 W single-transverse mode output power is obtained at T = 80°C. Very good beam quality is maintained across the entire operating current range with both lateral and vertical M2 < 1.9 up to T = 80°C. An ultra-low astigmatism varying only between 0.4 to 2.0 µm at all operating conditions is observed. 100 µm wide and 5.0 mm long BA HiBBEE lasers deliver 11.9 W multimode output power with a narrow FWHM vertical beam divergence of 9° in CW mode at T = 20°C. The vertical beam divergence angle is found to be insensitive to operating current and temperature variations. 8 µm wide and 5.0 mm long RW lasers yield 2.2 W single-transverse mode power, which is highest ever reported single-transverse mode power among RW lasers in 1060 nm wavelength range. Both lateral and vertical M2 factors remain below 2 over the whole operating current regime. A maximum brightness of 50 MWcm-2sr-1 is obtained. The RW lasers show an ultra-low astigmatism of 2.5 µm independent of driving current. Both RW and BA lasers provide record 2.1 W and 4.2 W CW-mode output powers, respectively, with a perfect circular shape showing ≤ 10° FWHM beam divergence angle in both transverse directions. A technique to improve the lateral beam quality of RW lasers with wide ridges is implemented. The technique is based on incorporation of inhomogeneities in the ridges which increase scattering losses of the higher-order modes as compared to the fundamental mode. This enhances the contrast of the optical losses of the fundamental and higher-order lateral modes, and improves the beam quality in the lateral direction. RW HiBBEE lasers with triangular-shaped corrugations in both sides of the ridges are investigated. The lateral M2 factors of the corrugated RW HiBBEE lasers are reduced by more than a factor of 2 in the low current range as compared to those of the reference RW HiBBEE lasers without corrugations. This opens a new prospect for the realization of lasers with high single-transverse mode power and high brightness.
Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Realisierung von kantenemittierenden Lasern mit hoher Ausgangsleistung und hoher Brillanz, welche auf einem GaAs-Substrat gezüchtet wurden. Zwei verschiedene Lasertypen wurden erfolgreich implementiert, PBC-Laser (PBC: photonic band crystal) und der HiBBEE-Laser (HiBBEE: high-brightness vertical broad-area edge-emitting). Um die typische große vertikale Strahldivergenz von ~ 30-60° von herkömmlichen Kantenemittern zu reduzieren, besitzen sowohl PBC- als auch HiBBEE-Strukturen einen ausgedehnten und asymmetrischen vertikalen Wellenleiter, der aus mehreren Schichten mit abwechselndem Brechungsindex besteht. In PBC-Lasern wird in dem breiten vertikalen Wellenleiter eine periodische Schichtfolge verwendet, während der HiBBEE-Wellenleiter aus einer aperiodischen Schichtfolge besteht. Die Verringerung der vertikalen Strahldivergenz wird durch die Erweiterung des optischen Feldes im breiten vertikalen Wellenleiter erreicht. Die resultierende große Ausdehnung des Nahfeldes verringert die optische Leistungsdichte an den Laserfacetten und ermöglicht somit eine hohe Ausgangsleistung, bevor katastrophaler optischer Spiegelschaden auftritt. In den Strukturen enthaltene Merkmale zur Modendiskriminierung sorgen für eine grundmodige Emission in vertikaler Richtung. Breitstreifen-PBC-Laser (Broad-area , BA) mit 100 µm breiten Streifen und 3,0 mm langer Kavität mit unpassivierten und unbeschichteten Facetten liefern 9,5 W Ausgangsleistung im Dauerstrichbetrieb- (continuous-wave, CW) bei einer Temperatur von T = 20°C. Sie liefern eine Grundmodenemission in vertikaler Richtung mit einer schmalen und betriebsstrom-unempfindlichen Strahldivergenz von nur 8° Halbwertsbreite (FWHM). 9 µm breite und 2,64 mm lange Rippenwellenleiter (ridge waveguide, RW) PBC-Laser zeigen 1,9 W lateral einmodige Ausgangsleistungen im CW-Modus bei T = 20°C. Die Halbwertsbreiten der Strahldivergenzwinkel sind 9° in lateraler und 14° in vertikaler Richtung. Die RW-Laser zeigen zudem eine hervorragende Strahlqualität mit M2-Faktor < 1,9 bis 1,9 W in beiden, lateraler und vertikaler Richtung sowie eine maximale Brillanz von 72 MWcm-2sr-1. Die thermische Stabilität der PBC-Laser wird durch die Charakterisierung von 6 µm breiten und 2.64 mm langen RW-Lasern bis zu einer erhöhten Temperatur von 80°C im CW-Modus bestimmt. Die Laser liefern 1,8 W transversal einmodige Ausgangsleistungen bei T = 20°C mit einer Strahldivergenz von 11° und 15° FWHM in lateraler und vertikaler Richtung. Die Ausgangsleistung nimmt mit zunehmendem T ab, jedoch wird bei T = 80°C noch mehr als 1,3 W einmodige Ausgangsleistung erreicht. Eine sehr gute Strahlqualität wird über den gesamten Betriebsstrombereich mit sowohl lateralem als auch vertikalem M2 < 1,9 bis T = 80°C erzielt. Bei allen Betriebsbedingungen wird ein sehr geringer Astigmatismus von nur 0,4 bis 2,0 µm beobachtet. 100 µm breite und 5,0 mm lange BA HiBBEE Laser liefern 11.9 W multimodige Ausgangsleistung mit einer schmalen vertikalen Strahldivergenz von 9° FWHM im CW Modus bei T = 20°C. Der vertikale Strahldivergenzwinkel ist unempfindlich gegenüber Betriebsstrom- und Temperaturvariation. 8 µm breite und 5,0 mm lange RW-Laser liefern 2,2 W im lateral einmodigen Betrieb, die am höchsten jemals veröffentlichte einmodige Ausgangsleistung von RW-Lasern im 1060 nm Wellenlängenbereich. Sowohl laterale als auch vertikale M2-Werte bleiben innerhalb des gesamten Betriebsstrombereiches unter 2. Es wird eine maximale Brillanz von 50 MWcm-2sr-1 ermittelt. Die RW-Laser zeigen einen extrem niedrigen Astigmatismus von 2,5 µm unabhängig vom Betriebsstrom. Sowohl RW- als auch BA-Laser liefern Ausgangsleistungen von 2,1 W und 4,2 W im CW-Mode mit einer perfekt runden Strahlform, die ≤ 10° FWHM Strahldivergenzwinkel in beiden Richtungen zeigt. Eine Technik zur Verbesserung der lateralen Strahlqualität von RW-Lasern mit breiten Rippen wird realisiert. Die Technik basiert auf dem Einbau von Inhomogenitäten in den Rippen, deren Streuverluste für höhere Moden größer sind als für die Grundmode. Dies erhöht den Unterschied der optischen Verluste der fundamentalen und höherwertigen lateralen Moden und verbessert die Strahlqualität in lateraler Richtung. RW HiBBEE-Laser mit dreieckigen Wellungen in beiden Seiten der Rippen werden untersucht. Die lateralen M2-Werte der gewellten RW-HiBBEE-Laser werden im Vergleich mit denen der Referenz-RW-HiBBEE-Laser ohne Wellungen um mehr als den Faktor 2 reduziert. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Realisierung von Lasern mit hoher, lateral einmodiger Ausgangsleistung und hoher Brillanz.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7370
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6622
Exam Date: 12-Oct-2017
Issue Date: 2018
Date Available: 26-Jan-2018
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): semiconductor laser
high-power laser
high-brightness lasern
Halbleiterlaser
Hochleistungslaser
Hochbrillianz-Laser
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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